Az első évadban megismerkedtünk a természetes szelekció darwini mechanizmusával, mely lehetővé teszi bonyolult biológiai szerkezetek kialakulását, a szerveződési szintek és az emergencia fogalmával, mely segít megérteni, hogyan épülnek fel bonyolult összetett rendszerek, valamint a homeosztázis fogalmával, melynek kapcsán megismerkedtünk azzal, hogy az egyre bonyolódó idegrendszerek milyen módon képesek segíteni az állatok túlélését a reflex, a döntés, a modell és gondolkodás képességével.

Láttuk, hogy egy sokelemű döntést úgy tűnik egyszerűbb egy inger-válasz táblázattal leírni, mint a számítógépek sorokból álló kódjával.
A táblázatot használva egyszerű számolással kiszámolható, hogy adott esetben hogyan is kell viselkedni. A feladat jól programozható, a kitöltött döntési tábla és az aktuális ingermintázat alapján. Össze kell adni oszloponként a soronként érkező ingerek értékével beszorzott válasz-erősség elemek értékeit, majd a legnagyobb értékű viselkedést kell végrehajtani.

Az "Örvényféreg meséjének" második bejegyzésében láttuk, hogy egy hálózatba genetikusan rögzült szinaptikus súlyok hogyan képesek viszonylag bonyolult helyzetekben is megfelelő, „ösztönös” válaszokkal reagálni a környezet kihívására.
Az élőlények egyik alapreflexe a visszahúzódási reflex, ha valamilyen káros, és ezért fájdalmasnak érzékelt inger ér egy élőlényt, akkor visszahúzódik, vagy visszahúzza csápját, tapogatóját, végtagját, amelyikkel az ingert érzékelte. Ez igen gyors reakció, hiszen csak egy érzéksejt és egy mozgatósejt elég hozzá.

A tanulás mechanizmusának egyik első modell állata az Aplysia nevű házatlan tengeri csiga (magyarul tengeri nyúl) volt. Az Aplysia a testén kívül lebegteti igen érzékeny kopoltyúit és szívócsövét, melyekre nagyon kell vigyáznia. Ha megzavarják visszarántja ezeket testébe, hogy megvédje életfontosságú szerveit. 

Mi is történt a Lømo és Bliss kísérletben? Egy, a memória kialakulásában fontos szerepet játszó agyterületből, a hippokampuszból vágtak ki a kutatók egy szeletet patkány agyából. Ezt a kb. fél milliméter vastag és 4x4 milliméter méretű szeletet egy apró kis kamrában, a megfelelő hőmérséklet, oxigéntartalom és tápanyagellátás biztosításával közel fél napig életben lehet tartani. Az idegsejtek továbbra is ketyegnek és beszélgetnek egymással és az agyszeletben megközelíthetők finom hegyű üvegelektródákkal, hogy elektromos aktivitásuk követhető legyen.

Az örvényféregnél megtanultuk, hogyan képes egy egyszerű hálózat a szinaptikus súlyokban (táblázat=súlymátrix) hordozott memóriája segítségével dönteni. A kutyánál, majd a tengeri nyúlnál és a csikóhalnál megtanultuk hogyan tanulnak az idegsejtek. Most úgy csinálunk, mint a barkácsoló evolúció és megtöltjük az idegsejt hálózatokat tanulós szinapszisokkal, majd megnézzük mi történik.

Elő a túracipőt, folytatódik az agyséta!

A jelenség, ahogy a látórendszer nagyon egyszerű szabályok alapján felépíti magát a környezetből származó, megbízható ingerek alapján (lásd A macskakölyök meséjét) általános a biológiában. De egy bonyolult szervezetet nem is lehetne másképp előállítani. Az emberi DNSben 3 milliárd bázispár van, ennek információ tartalma bitben számolva 6x10⁹. Ha ezt összehasonlítjuk az emberi agyban található szinapszisok számával, ami 10¹⁵, akkor az a teljesen valószínűtlen szám jön ki, hogy egyetlen bit genetikai információ kb. 1 millió szinapszis felépítését kódolná.

Az agyfejlődés bizonyos elemeiről már beszéltünk korábban. Az agyfejlőd kettő, eltérő program alapján futó fázisra osztható:
1) az idegrendszer felépülése, az agy anatómiai fejlődése a genetikai program alapján, mely felhasználja a test többi részéből érkező kémiai és szomszédsági információkat. Ez elsősorban az embrióban és a magzatban zajlik, de emberben kamaszkorig eltart.
2) a szinaptikus kapcsolatok érése, a tanulás, mely a fejlődő idegrendszer által létrehozott jelek és a külvilágból érkező információ alapján, a Hebb szabályt felhasználva alakítja ki a szinapszisok erősségét, és tünteti el a felesleges kapcsolatokat. Ezek a folyamatok születés után indulnak be igazán és életünk végéig tartanak. A legnagyobb átalakulás kisgyermek és kamaszkorban történik.

Mielőtt továbblépünk a szinaptikus kapcsolatrendszerek kialakulásának programjára, egy fontos folyamatot meg kell még említeni, mert szükség lesz rá a továbbiakban. Az alanti ábra a szinapszisok számát mutatja a fejlődő agyban. Az ábrán nincs rajta, de az idegsejtek száma is hasonlóan változik (bár korábban kezd nőni mint a szinapszisszám). Az embrionális fejlődés során az idegsejtek, majd ezt követve a szinapszisok száma is meredeken növekszik. Születés előtt a legmagasabb, majd a kamasz korig először gyorsan majd lassabban csökken. Kamasz kor után az idegsejtek száma egészséges esetben nem változik, de a szinapszisok száma lassan csökken. Az ábra azt is mutatja, hogy az autizmusban és a skizofréniában a számok változása jellegzetesen eltér, illetve, hogy Alzheimer kórban erősen csökkenni kezd a szinapszisszám (zöld egészséges, sárga Alzheimeres eset). Tehát először számfeletti idegsejtünk és szinapszisunk alakul ki, hogy a fejlődési programnak legyen miből vágnia. Ezt a sejtpusztulási időszakot az előző bejegyzés második ábráján az Apoptózis (programozott sejthalál) periódusa jelzi.

És akkor ismételjük át a második agyfejlődési programot a tanulást, hiszen korábban bőven beszéltünk róla.
A tanulás szabálya (Hebb- szabály) azt állítja, hogy ha két idegrendszeri elem egyidejűleg aktív, akkor közöttük a kapcsolat erősödik. Praktikusan, ha egy axon kisül és közben (időben közel) a cél idegsejt is kisül, mert a rá érkező ingerek kellően erősek voltak (azaz részt vesz a reprezentációban), akkor közöttük szinapszis alakul ki, vagy ha már volt megerősödik. És ami fontos, ahol nem alakul ki kapcsolat, ott a korai fejlődés során elhalnak az axonok, sőt azok az idegsejtek is elpusztulnak, amelyeknek nem sikerült elegendő működő bemenetet begyűjteniük, azaz nem vesznek részt reprezentációban.

Az évadnyitóban említettem, hogy az  #agysétán ezentúl időnként előretekintünk. A jelen és a következő bejegyzés inkább egy hőlégballonos felszállás, ahonnan rátekinthetünk a terepre és megtanulhatjuk a hegyek-völgyek neveit. Általános, fontos fogalmakat tisztázunk, melyekbe már magyarul is angolul is beleszaladhatott, akit érdekel az agyműködés vagy a másik oldalról nézve a pszichológia. A harmadik és negyedik bejegyzés, ahol a természetes és mesterséges intelligencia kérdéseit érintjük, kevésbé kemény tényeken alapuló tudomány, mint vélemény és filozofálgatás.

Emlékeztetőnek a két szókupac, amit meg kell magyarázni és össze kell kapcsolni. Csak finoman kössetek belém, mert nem filozófus, hanem neurobiológus vagyok.
Angol kupac: brain, mind, consciousness, self conscious, aware(ness), alert(ness), awake(ness), attention, intelligence
Magyar kupac: agy, elme, tudat, éntudat, tudatosság, éber(ség), ébrenléti szint, figyelem, intelligencia

Az utolsó két fogalom boncolgató bejegyzésben a természetes (natural=NI) és mesterséges (artficial=AI) intelligencia, valamint a tudattal kapcsolatos fogalmak viszonyát járjuk körül, belecsúszva a képzett találgatás és a filozófia határmezsgyéjébe.
A természetest és a mesterségest kb. értjük, de eddig nem tárgyaltuk, hogy mi is az intelligencia?

Sok kérdést tettünk fel az előző bejegyzésben és nyilván sokat nem. Néhányat most körbejárunk.

Lehet-e tudatos egy AGI?
Agykutatóként számomra a legfontosabb kérdés: Egy megfelelően beágyazott AGI tudatos lesz-e vagy nem?

Korábban már tréfálkoztam azzal, hogy hamarosan kialakulnak új szakmák/tudományágak, azzal a céllal, hogy az AI rendszereket hatékonyabban taníthassuk (A-pedagógus), működésüket finomíthassuk (A-pszichológus), megérthessük (A-idegtudós).

A tréfából úgy tűnik kezd valóság lenni, három szálon is.

Az alapozásnál megbeszéltük, hogy agyunk két szerveződési alapelveiben és funkciójában eltérő részre oszlik. Az ősi, életfontosságú funkciókban meghatározó, merev, egyedi szerkezetű kéreg alatti területekre (nyúltagy, középagy, és az előagy bizonyos részei), valamint a modern, emlősökben hatalmasra nőtt, moduláris, általános feladatok megoldására és tanulásra képes rugalmas agykéregre.
A továbbhaladáshoz szükséges, hogy elmerüljünk az agykéreg szerkezetének felépítésében, mert ez később szükséges lesz az agyműködés finomságainak és a tudatosság kialakulásának megértéséhez.

Az agykéreg fejlődése, embriológiája

Az első idegrendszeri sejtek, melyek az agyhólyagok falának belső és külső felszínét kötik össze egymással a radiális gliasejtek. Ők az ácsok, akik az agy állványzatát létrehozzák. A radiális latinul sugár-irányút jelent, ez utal arra, hogy ezek a sejtek a hólyag felszínére merőlegesen nyúlnak meg, a középponttól kifelé. Ahogy a hólyag fala idegrendszerré vastagodik, a radiális gliasejtek egyre jobban megnyúlnak és folyamatosan osztódnak (dagad a kürtőskalács). Egy idő után a radiális gliasejtek úgy osztódnak, hogy egyik leánysejtjük megmarad radiális gliasejtnek, másikukból pedig különböző idegrendszeri sejteket kialakító progenitor (előd) sejtek lesznek.

Most, hogy tudjuk hogyan alakult ki az agykéreg és hogyan fejlődik embrionálisan, nézzük meg finomszerkezete milyen alapelvek alapján szerveződik.
A lényeg a két agyfélteke felszínét borító a szürke állományban van, hiszen ott találhatók az idegsejtek és ott zajlik az információ feldolgozása. A szürke állomány (fajtól függően) 1-3 mm vastag és köbmilliméterenként 15-150 ezer idegsejt található. Az ember szürke állománya vastagabb, és az egérnél jelentősen kevesebb, de sokkal kiterjedtebb kapcsolatrendszerrel rendelkező idegsejtet tartalmaz ugyanakkora térfogatban. A szürke állomány alatt található fehérállományban az idegsejtekről eredő, a különböző részfeladatokat megoldó agyterületek között információt továbbító axonkötegek futnak. A fehérállomány az agy kábelkötegeit szigetelő mielinhüvelytől fehér és az agy tényleges térfogatának tetemes részét teszi ki.

Az agykéreg azért képes bonyolult feladatok rugalmas megoldására, mert számos egyedi feladat elvégzésére képes területből áll, melyek a feladat függvényében képesek kölcsönhatni. Mint azt Brodman megfigyelte, az egyes területek belső felépítése kicsit eltér, agykérgi oszlopaik szerkezete a tipikus oszlopmodell finom változatait tartalmazza, melynek eredményeként máshogy integrálják a többi agykérgi és kéreg alatti területről érkező jeleket. Az eredményt pedig, a feldolgozási láncban elfoglalt helyük szerint továbbítják más (alacsonyabb vagy magasabb) agykérgi, valamint kéreg alatti területek felé.

Az egyes rétegek külső kapcsolatrendszere után nézzük meg hogyan is áramlanak a jelek egy agykérgi modulban, ezzel egy kicsit az agykéregfejlődés evolúciós lépéseit is visszajátszhatjuk.

Az információ áramlás fent részletesett irányaiból, az ősibb kéregterületek (archikortex: hippokampusz) szerkezetéből és a kérgi rétegek everzióval való fejlődésének tényéből, ki lehet bogarászni hogyan bonyolódott az evolúció során az agykéreg. Itt megint egy figyelmeztetéssek kell hogy éljek: egy kicsit spekulatív rész következik, de ha ezt észben tartjuk a spekuláció megengedhető.

Eddig főleg a serkentő kapcsolatrendszerekről volt szó, hiszen a serkentő sejtek aktivitásmintázata kódolja az információt, kapcsolataikban tárolódik a memória. Egy kicsit meg kell világosítani miért van szükség gátlósejtekre, mi a szerepük.

Említettem fentebb, hogy egy csak serkentő elemekből álló, ráadásul erősen visszacsatolt rendszer egy igen veszélyes rendszer. Nehéz olyan aktivitási szintet beállítani, hogy az aktivitás a visszacsatolás hatására ne nőljön exponenciálisan a végtelenségig.

Annak bemutatásához, hogy milyen módokon szabályozzák a gátlósejtek a serkentő sejtek működését, és ezáltal az agykérgi hálózatok stabilitását, ismételjük át gyorsan hogyan is történik az idegsejteken a jelintegráció (alapjaiban ez minden sejttípuson hasonló), azaz, hogyan lesz a sejtekre érkező serkentő és gátló szinaptikus áramok kölcsönhatásából (bemenő jelekből) akciós potenciál (kimenő jel).

Túl egy nyári pihenésen és egy halott számítógépen és az ezt követő újra-telepítés gyötrelmein, folytatjuk az #agysétát, az agykérgi működés stabilitásának beállításába fontos gátlósejtek viselt dolgainak bemutatásával.

Az első funkcionálisan fontos szempont, ami szerint a gátlásokat csoportosítjuk, az, hogy honnan érkezik a gátlósejtektre a bemenet.  Egy másik hálózatból vagy a helyi hálózatból, ezek szerint a gátlás lehet előrecsatolt vagy visszacsatolt. Az agyban nem minden területen van szükség kifinomult előre és visszacsatolt gátlásokra, ugyanis számos agyi területen (főleg a kéreg alatti területeken) csak előrecsatolt serkentő (esetleg gátló vagy moduláló) kapcsolatok vannak, hiányoznak a visszacsatolt serkentő körök, melyekben veszélyes szintre emelkedhetne az aktivitás. Emiatt, gátlás nélkül is megbízható ezen területek működése. Az agykéreg működéséhez azonban elengedhetetlenek a masszív serkentő-serkentő sejt kapcsolatrendszerek, hiszen ezekben a kapcsolatokban tárolódik a memória, és a körkörös kapcsolatok eredménye a feldolgozás, a gondolkodás.

A gátlás másik változója, hogy a gátlósejt axonfelhője (az axon végtalpak és az általuk alkotott szinapszisok) a célsejtek (az esetek 90%-ban serkentő sejtek) mely részeit fedi le, azaz a jelintegráció melyik lépésébe szól bele a gátlás. Kezdjük a jeláramlás irányának elején, a dendriteken.

Aki átugrotta az előző bejegyzést, melyben alaposan cikornyáztuk az idegsejtek jelfeldolgozását annak legyen annyi elég, hogy a sejthártyában, az alapvető jeltovábbító és jelintegráló feladatokat ellátó alap Na+, K+, Cl- és Ca2+ csatornákon kívül számtalan, sejttípusokra jellemző, finomabb működést lehetővé tevő csatorna található, melyeket különböző állapotokba kapcsolva megváltoznak a sejtek jelfeldolgozó tulajdonságai és ezáltal a sejtekből alkotott hálózatok számos feldolgozási módba kapcsolhatnak.